基于软材料的SHPB 波形整形技术.PDF

中国科学: 技术科学 2016 年 第46 卷 第1 期: 1 ~ 7 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Technologica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 “强冲击载荷下钢筋混凝土的本构关系、破坏机理与数值方法”专辑 基于软材料的SHPB 波形整形技术 * 陈刚, 张青平, 黄西成 中国工程物理研究院总体工程研究所, 绵阳 621999 * E-mail: chengang@ 收稿日期: 2015-11-28; 接受日期: 2016-02-03 国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 脉冲整形常被用来修正霍普金森压杆的入射波形, 以保证加载过程中试件的应力均匀性和恒应变率. 本文提出了一种具有较好的波形整形效果和较宽适用范围的分离式霍普金森压杆(SHPB)入射波整形方法. 采用 真空封泥这种可忽略强度的材料作为入射波的波形整形器, 结合撞击速度调整封泥的用量, 可以得到正弦函数 及缓升平台的类梯形波等不同的整形效果. 数值模拟分析表明, 真空封泥的波形整形效应主要由材料变形过程 中的径向惯性效应控制. 应用实例显示, 经波形整形的SHPB 实验试件两端的应力平衡得到较大的改善. 关键词 SHPB, 波形整形器, 真空封泥, 脆性材料 1 引言 垫片作为整形器, 实现对入射波的改变. 由于子弹形 状的特殊性带来了设计和加工的困难, 采用垫片的 分离式霍普金森压杆(SHPB)技术用于获得材料 [6,7] 方式得到更广泛的应用. 其中垫片材料有紫铜 、黄 2 4 1 在 10 ~10 s 应变率范围内的应力-应变曲线. SHPB [8] [9,10] [5] 铜 、橡胶 等, 还有直接用试件作为整形器 , 以 系统自1949 年Kolsky 提出以来, 已被广泛运用于测 [11] [12] 及组合整形器 等. 宋博等人 对此进行了详尽的 试多种材料(如金属、陶瓷、岩石、混凝土、复合材 总结. 料、聚合物和泡沫材料等)在高应变率下的力学响应. 上述研究中, 波形整形器均采用具有一定强度 经典的SHPB 技术中, 撞击杆与输入杆间发生弹 的金属或非金属材料, 由于不同试件材料甚至同一 性共轴碰撞获得入射脉冲. 实验的波形无法调整, 同 材料的不同应变率实验所需的波形整形特征有所差 时也存在较大的高频振荡, 影响实验精度. 特别对一 异, 对每类实验均需进行整形器的尺寸设计和机械 些脆性材料来说, 还可能导致试件在未达到均匀变 加工, 给实验带来不便之处. 在 SHPB 实验过程中, 形时就发生了破坏. 为了减小波传播过程中的弥散 我们发现采用真空封泥这种可忽略强度的材料作为 效应, 保证实验时试样中的应力平衡和变形均匀, 以 入射